CN111147398A - 一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法及系统，其中，方法步骤为：首先，基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；其次，针对每个业务，时延敏感网络中的资源分配模块基于当前网络中的路由及时隙分配情况给出该业务的可用路由及时隙资源，边缘计算中的计算任务调度模块基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源，最终得出能够满足时延要求的路由、时隙和计算资源组合。本发明能够保障工业互联网中时延敏感类业务的端到端时延传输质量要求，尤其是工业控制类业务的控制质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及工业互联网中的通信计算资源分配方法，尤其涉及时延敏感网络中具备控制质量保障的通信计算资源联合分配方法及系统。
背景技术
工业互联网的相关概念是由2012年美国电气公司最先提出，其核心目标就是要将传统制造业升级成为“智能化”的智能工厂产业模式，通过互联网实现传感器感知、数据传输计算、设备执行编排等多种形式主体的融合，它将工业上的基础设施、信息传输系统、数据的分析决策系统，都融合成一个完整的体系。
在这样一个体系架构下，数以千记的传感器、控制器及执行器构成了最底层的网络终端层；各种通信协议作为第二层，为终端设备的信息采集、交互及控制命令等传输提供通道；最上层为应用层，通过通用的计算平台，如云计算和边缘计算等，进行数据分析处理，支撑最终的工业互联网应用。
就工业互联网的应用而言，与传统互联网应用最大的不同在于对传输及处理的时延要求极高，在工业现场中即使是一毫秒的设备间的信号延迟也可能会对生产线造成严重的破坏，给企业带来难以估计的损失，因此，信息传输及处理的速度、实时性和确定性对于当今工业互联网来说至关重要。根据上述分层的工业互联网体系架构，不难得出时延敏感类业务的时延，尤其是控制类业务的时延，与网络传输时延及计算处理时延均有关系。为应对这种需求，在网络传输方面，时延敏感网络(TSN，time sensitive network)技术以其极高的传输时延保证性得到了业内广泛推崇。在计算处理方面，工业互联网通过采用边缘计算技术，将计算平台部署在靠近数据源的地方从而能够大大减少端到端的闭环控制时延，该技术的出现为时延敏感网络在工业互联网中的广泛应用进一步加大了保障力度。因此，融合边缘计算的时延敏感网络成为工业互联网技术的研究热点。即便如此，当存在多种数据流时，仍然需要对融合边缘计算的时延敏感网络的通信及计算资源进行合理分配，以最大限度保障时延敏感类业务的实时性要求。
然而，现有的资源分配方案要么只考虑通信资源分配，要么只考虑计算资源分配，一方面带来了资源的浪费，另一方面对控制类时延敏感业务的端到端控制质量(QoC，quality of control)缺乏保障。因此，有必要面向融合边缘计算的时延敏感网络，提出融合通信及计算资源的新方法，以保证其端到端的控制质量。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有的资源分配方案存在的上述缺陷。
为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；
步骤2：针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
步骤3：基于当前网络中的时隙分配情况，以及步骤2中所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
步骤4边缘计算中的计算任务调度模块基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
步骤5计算步骤3及步骤4中所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
步骤6：判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程；否则，重复执行步骤2至步骤5。
另一方面，本发明提供了一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配系统，包括：
第一计算模块，用于基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；
第二计算模块，用于针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
第三计算模块，用于基于当前网络中的时隙分配情况，以及所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
第四计算模块，用于基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
第五计算模块，用于计算所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
第六计算模块，用于判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程。
本发明与现有时延敏感网络中的资源分配方法相比，具有以下优势：
能够保障工业互联网中时延敏感类业务的端到端时延传输质量要求，尤其是工业控制类业务的控制质量要求；
从整体角度以保障时延敏感类业务的服务质量为唯一优化目标联合分配通信及计算资源对网络资源进行合理分配，从而避免单独进行通信资源或计算资源分配由于优化目标范围设置宽泛导致资源浪费的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法流程示意图；
图2为图1实施例中计算时延敏感网络中所有业务源点至边缘计算节点的所有路径方法流程示意图；
图3为图1实施例中延敏感网络中计算所有可用路由及时隙资源分配情况方法流程示意图。
图4为本发明实施例提供的一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的说明。
本发明实施例涉及工业互联网中的通信计算资源分配方法，尤其涉及时延敏感网络中具备端到端服务质量保障的通信计算资源联合分配方法，其具体特征在于基于时延敏感类业务的时延要求进行业务服务优先级排序，基于排序结果对所有业务逐一进行通信及计算资源的联合分配。
图1为本发明实施例提供的一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法流程示意图。如图1所示，该方法包括步骤1-步骤6：
步骤1：基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序，时延要求越严格的业务越具有较高的服务优先级；
具体地，步骤1进一步包括步骤S10-S11：
步骤S10：获得当前网络中的所有时延敏感类业务个数N，并设定时延要求越严格则服务优先级越高的原则，也即是时延越敏感其排序越靠前的原则；
步骤S11：获取这N个时延敏感类业务的时延要求，并依据上述排序原则对工业互联网中的所有时延敏感类业务标定服务优先级Flag，Flag(n)(n＝1,2,3…,N)的值越低表示其优先高，越大则优先级越低。
步骤2：针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
具体地，步骤2进一步包括步骤S20-S27(如图2所示)：
步骤S20：查找步骤S11中Flag的最小值；
步骤S21：初始化图，输入业务的起始网络节点Vs，以及边缘计算节点Vd，初始化网络节点集合V，路径集合P以及临时路径节点集合ptemp；
步骤S22：起点Vs加入临时路径节点集合ptemp；
步骤S23：从节点结合V中取出一个Vs的邻居网络节点Vn；
步骤S24：判断Vn是否为空集，若为空集，则结束步骤2的程序；否则，执行步骤S25；
步骤S25：从V中任取一个Vn的邻居节点Vw；
步骤S26：判断Vw是否为空集，若为空集，则将Vn从V中删掉，并跳转至步骤S23；若不为空集，则执行步骤S27；
步骤S27：判断Vw是否为Vd，若不是，则将Vn加入ptemp，并令Vw＝Vn，跳转至步骤S25；否则将Vn、Vw加入ptemp，将ptemp加入路径集合P，将Vn从V中删掉，并跳转至步骤S23。
步骤3：基于当前网络中的时隙分配情况，以及步骤2中所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
具体地，步骤3进一步包括步骤S30-S37(如图3所示)：
步骤S30：初始化所有TSN交换机的时隙分配向量Tvi,若其第t个时隙被占用，则令Tvi(t)＝1，否则Tvi(t)＝0；
步骤S31：获得路径集合P中的路径数K，对于第k条路径，初始化端到端时延Ttemp(k)＝0；
步骤S32：判断k是否等于K，若是，则执行步骤S37；否则执行步骤S33；
步骤S33：对第k条路径上的所有网络节点Vk,初始化节点标志Flagv＝2；
步骤S34：判断Vk(Flagv)是否等于Vd，若是，则执行步骤S36，否则执行步骤S35；
步骤S35：搜索Tvi(Flagv)中第一个不为0的时隙t1，并令Tvi(Flagv)(t1)＝1,Ttemp(k)＝Ttemp(k)+t1,Flagv＝Flagv+1；
步骤S36：令k＝k+1；
步骤S37：找到Ttemp中的最小值以及序号kmin，并取集合P(kmin)作为当前分配的路由及所有节点的时隙分配Tvi，结束程序。
步骤4边缘计算中的计算任务调度模块基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
步骤5计算步骤3及步骤4中所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
步骤6：判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程；否则，重复执行步骤2至步骤5)。
相应地，本发明实施例提供了一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配系统结构示意图，如图4所示，该系统包括：
第一计算模块，用于基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；
第二计算模块，用于针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
第三计算模块，用于基于当前网络中的时隙分配情况，以及所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
第四计算模块，用于基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
第五计算模块，用于计算所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
第六计算模块，用于判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程。
本发明实施例与现有时延敏感网络中的资源分配方法相比，具有以下优势：
能够保障工业互联网中时延敏感类业务的端到端时延传输质量要求，尤其是工业控制类业务的控制质量要求；
从整体角度以保障时延敏感类业务的服务质量为唯一优化目标联合分配通信及计算资源对网络资源进行合理分配，从而避免单独进行通信资源或计算资源分配由于优化目标范围设置宽泛导致资源浪费的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；
步骤2：针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
步骤3：基于当前网络中的时隙分配情况，以及步骤2中所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
步骤4边缘计算中的计算任务调度模块基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
步骤5计算步骤3及步骤4中所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
步骤6：判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程；否则，重复执行步骤2至步骤5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤S10：获得当前网络中的所有时延敏感类业务个数N，并设定时延要求越严格则服务优先级越高的原则，也即是时延越敏感其排序越靠前的原则；
步骤S11：获取这N个时延敏感类业务的时延要求，并依据上述排序原则对工业互联网中的所有时延敏感类业务标定服务优先级Flag，Flag(n)(n＝1,2,3…,N)的值越低表示其优先高，越大则优先级越低。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤S20：查找步骤S11中Flag的最小值；
步骤S21：初始化图，输入业务的起始网络节点Vs，以及边缘计算节点Vd，初始化网络节点集合V，路径集合P以及临时路径节点集合ptemp；
步骤S22：起点Vs加入临时路径节点集合ptemp；
步骤S23：从节点结合V中取出一个Vs的邻居网络节点Vn；
步骤S24：判断Vn是否为空集，若为空集，则结束步骤2的程序；否则，执行步骤S25；
步骤S25：从V中任取一个Vn的邻居节点Vw；
步骤S26：判断Vw是否为空集，若为空集，则将Vn从V中删掉，并跳转至步骤S23；若不为空集，则执行步骤S27；
步骤S27：判断Vw是否为Vd，若不是，则将Vn加入ptemp，并令Vw＝Vn，跳转至步骤S25；否则将Vn、Vw加入ptemp，将ptemp加入路径集合P，将Vn从V中删掉，并跳转至步骤S23。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤S30：初始化所有TSN交换机的时隙分配向量Tvi,若其第t个时隙被占用，则令Tvi(t)＝1，否则Tvi(t)＝0；
步骤S31：获得路径集合P中的路径数K，对于第k条路径，初始化端到端时延Ttemp(k)＝0；
步骤S32：判断k是否等于K，若是，则执行步骤S37；否则执行步骤S33；
步骤S33：对第k条路径上的所有网络节点Vk,初始化节点标志Flagv＝2；
步骤S34：判断Vk(Flagv)是否等于Vd，若是，则执行步骤S36，否则执行步骤S35；
步骤S35：搜索Tvi(Flagv)中第一个不为0的时隙t1，并令Tvi(Flagv)(t1)＝1,Ttemp(k)＝Ttemp(k)+t1,Flagv＝Flagv+1；
步骤S36：令k＝k+1；
步骤S37：找到Ttemp中的最小值以及序号kmin，并取集合P(kmin)作为当前分配的路由及所有节点的时隙分配Tvi，结束程序。
5.一种时延敏感网络中的通信计算联合资源分配系统，其特征在于，包括：
第一计算模块，用于基于控制质量要求对时延敏感类业务的服务优先级进行排序；
第二计算模块，用于针对当前尚未获得资源分配且服务优先级最高的业务，计算时延敏感网络中所有从业务源点至边缘计算节点的路径；
第三计算模块，用于基于当前网络中的时隙分配情况，以及所得出的路径，计算该业务的所有可用路由及时隙资源分配情况，并计算所有分配情况下的传输时延；
第四计算模块，用于基于当前的计算资源使用情况给出该业务的可用计算资源及计算时延；
第五计算模块，用于计算所有传输时延与计算时延之和，选取满足业务时延要求的最小时延和作为该业务的端到端传输处理时延，并将该最小时延对应的路由及时隙资源、计算资源分配给该业务，并将该业务标记为已完成资源分配的业务；
第六计算模块，用于判断是否所有业务均完成通信计算资源联合分配，若是，则结束资源分配过程。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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